JP2010216384A - 燃料噴射量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料圧力変動に影響されることなく、燃料噴射量の制御を安定に行える燃料噴射量制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、検出された燃料圧力の値によって示される関数に基づいて２階微分値を算出する。また、燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、その２階微分値に基づいて燃料噴射が行われた燃料噴射開始時刻を判定する。燃料噴射量算出部２ｄは、判定された燃料噴射開始時刻に基づいて燃料噴射量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コモンレールを用いた燃料噴射量制御装置に関する。

ディーゼルエンジンに適用される燃料噴射量制御装置においては、エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射するインジェクター（以下、燃料噴射弁ともいう）に蓄圧された燃料を供給するコモンレールシステムが多く利用されている。このようなコモンレールシステムでは、瞬時に規定量を噴射させることができるように、高圧ポンプによって加圧された燃料がコモンレールに供給されている。
また、インジェクターの応答性改善によりインジェクターから短い噴射時間で燃料を噴射することができる。このような応答性の高いインジェクターと前述した高圧に蓄圧できるコモンレールを組み合わせることによって燃料を勢いよく燃焼室に噴射し、燃料を微粒化して、燃焼特性を改善することができる。このように燃焼特性を改善することによって、排出ガスのさらなるクリーン化を図ることが行われている。

また、ディーゼルエンジンでは、噴射される燃料の量とその噴射時期によって出力特性及び燃料消費率が左右される。つまり、必要な量の燃料を必要とされるときにエンジンに供給するためには、燃料噴射量制御装置では燃料の噴射量と噴射時期を適切に管理することが必要とされている。

燃料の噴射量は、燃料噴射時間と燃料圧力に基づいて導くことができ、実際に噴射が行われている時間を正確に検出することにより、燃料噴射量も正確に制御することができる。
このような燃料噴射量制御装置において、噴射される燃料噴射量の制御のために噴射開始時刻を検出するいくつかの技術が存在する（例えば、特許文献１）。

特開２００８−１４４７４９号公報

特許文献１の技術によれば、燃料圧力を検出し、その燃料圧力の変動を１階微分した微分波形によって示される特徴に基づいて、燃料噴射開始時刻の検出を行うことが示されている。
この１階微分の波形に応じて変化する閾値を時間の関数として定め、その閾値に基づいて１階微分波形の変化を検出できることが記載されている。また、１階微分波形におけるいくつかの特徴点を検出し、燃料噴射の現象を検出できることが記載されている。しかしながら、それぞれの検出方法において、閾値の設定や、特徴点の検出について具体的な手法は示されていない。
一般に、サンプリングされた情報に基づいて、各種の補間処理がある連続的な変化を近似して導くことができる。補間処理による近似において、サンプリングされた情報に含まれる変動が本来の変化を示すものであるか、検出誤差などに影響されたものかの判定を少ないサンプリングデータに基づいて検出することが困難である。また、限られた処理時間内に行える演算量も制限されるため、複雑な処理は適していない。処理を簡素化して低次のモデルで近似する補間処理では、補間された情報は近似精度が低くなり、特徴の検出が困難であるという問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、燃料圧力変動に影響されることなく、燃料噴射量の制御を安定に行える燃料噴射量制御装置を提供することにある。

上記問題を解決するために、請求項１に記載した発明は、供給された燃料を蓄圧する燃料蓄圧手段（例えば、実施の形態におけるコモンレール１３）と、前記燃料蓄圧手段から供給される燃料を噴射する燃料噴射手段（例えば、実施の形態における燃料噴射弁６）と、前記蓄圧手段と前記燃料噴射手段との間の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段（例えば、実施の形態における燃料圧力センサ３７）と、前記燃料圧力の変動値に基づいて燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御装置（例えば、実施の形態における燃料噴射量制御装置１０）において、前記検出された燃料圧力の値によって示される関数に基づいて２階微分値を算出し、該２階微分値に基づいて燃料噴射が行われた燃料噴射開始時刻を判定する燃料噴射開始時刻判定手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃ）と、該燃料噴射開始時刻に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ２の燃料噴射量算出部２ｄ）と、を備えることを特徴とする燃料噴射量制御装置である。

請求項１に記載した発明によれば、燃料噴射開始時刻判定手段は、燃料圧力検出手段が検出した燃料圧力の値によって示される燃料圧力の変化を示す関数を定義する。燃料噴射開始時刻判定手段は、その関数に基づいて２階微分値を算出し、その２階微分値の値から燃料噴射が行われた燃料噴射開始時刻を判定する。燃料噴射量算出手段は、燃料噴射開始時刻に基づいて燃料噴射量を算出する。
そして、検出された燃料圧力の２階微分値から、燃料噴射にともなって変量圧力が減少を開始する変化点を検出することができる。また、燃料噴射開始時刻を正確に判定できることから、燃料噴射開始時の燃料圧力も正確に検出することができる。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明において、前記燃料噴射開始時刻判定手段は、前記２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる差分方程式を用いて算出することを特徴とする。
請求項２に記載した発明によれば、燃料噴射開始時刻判定手段は、テーラー展開の式に基づいて導かれる差分方程式を用いて２階微分値を算出する。

請求項３に記載した発明は、請求項２に記載した発明において、前記燃料噴射開始時刻判定手段は、前記差分方程式に中心差分方程式を用いて算出することを特徴とする。
請求項３に記載した発明によれば、燃料噴射開始時刻判定手段は、差分方程式に中心差分方程式を用いて算出する。そして、燃料噴射開始時刻判定手段は、検出された燃料圧力に含まれる変化に影響されることなく、その時点の微分演算を安定に行うことができる。

請求項４に記載した発明は、請求項３に記載した発明において、前記燃料噴射開始時刻判定手段は、前記２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる１階差分方程式を用いた演算を２度繰り返して行うことを特徴とする。
請求項４に記載した発明によれば、燃料噴射開始時刻判定手段は、テーラー展開の式に基づいて導かれる１階差分方程式を用いた演算を２度繰り返して行い、２階微分値を算出する。そして、燃料噴射開始時刻判定手段は、値の小さな高次の成分を誤差として扱うことができ、検出精度が高い１階差分方程式によって燃料噴射の開始時刻を検出することができる。

請求項５に記載した発明は、請求項３に記載した発明において、前記燃料噴射開始時刻判定手段は、前記２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる２階差分方程式を用いて算出することを特徴とする。
請求項５に記載した発明によれば、燃料噴射開始時刻判定手段は、テーラー展開の式に基づいて導かれる２階差分方程式を用いて２階微分値を算出する。そして、燃料噴射開始時刻判定手段は、値の小さな高次の成分を誤差として扱うことができ、直接２階差分方程式によって燃料噴射の開始時刻を検出することができる。

請求項１から請求項５に記載した発明によれば、燃料圧力の変動に影響されずに燃料噴射時刻を安定に検出することが可能となる。

本発明の第１実施形態における燃料噴射量制御装置を示すブロック図である。 第１実施形態における燃料噴射時の圧力変動を示すタイミングチャートである。 第１実施形態における差分演算処理を示す図である。 第１実施形態における燃料噴射時の燃料圧力波形を示す図である。 第１実施形態における燃料噴射開始時刻検出処理を示すフローチャートである。 第２実施形態における燃料噴射時の燃料圧力波形を示す図である。 第２実施形態における燃料噴射開始時刻検出処理を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
図１を参照し本発明における実施形態の燃料噴射量制御装置１０について説明する。燃料噴射量制御装置１０は、図示されない車両に搭載されるディーゼルエンジン（以下、「エンジン１」という）に適応され、エンジン１の燃焼室に供給される燃料の圧力を制御する。

燃料タンク１１は、エンジン１に供給される燃料が収容される。その燃料タンク１１内には、低圧ポンプＰ１が設けられている。
低圧ポンプＰ１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２に接続されているモータＰ１−Ｍが設けられている。低圧ポンプＰ１は、ＥＣＵ２によってモータＰ１−Ｍが制御され、エンジン１の運転中に常時作動する電動ポンプであり、燃料タンク１１内の燃料を所定圧（例えば、０．５ＭＰａ（メガパスカル））まで増圧して吐出する。
低圧ポンプＰ１の吸入側にはフィルタ１７が設けられ、吐出側には燃料供給路１２が接続される。接続される燃料供給路１２には、ＥＣＵ２からの制御によって燃料の温度制御を行うヒータを備えるフィルタ１８と、同じくＥＣＵ２からの制御によって低圧ポンプＰ１から供給される燃料の流量を制御する電磁流量制御弁２１とが順次設けられている。

フィルタ１８と電磁流量制御弁２１の間の燃料供給路１２には、燃料タンク１１に燃料を戻す燃料戻し路１６が分岐接続される。燃料戻し路１６には、燃料供給路１２の圧力制御を行う圧力制御弁２２が介装されている。圧力制御弁２２は、燃料供給路１２の圧力が前述の所定圧を超えたときに開弁して燃料戻し路１６を介して燃料を燃料タンク１１内に戻す。
また、フィルタ１８と電磁流量制御弁２１の間の燃料供給路１２において、燃料戻し路１６の接続部と電磁流量制御弁２１との間には、燃料温度センサ３５が設けられている。燃料温度センサ３５は、低圧ポンプＰ１から吐出された燃料の温度を検出し、検出された温度を表す検出信号ＳｇＴｅｍｐをＥＣＵ２に出力する。

電磁流量制御弁２１の下流側には、高圧ポンプＰ２が接続され、高圧ポンプＰ２の吐出側には高圧配管１３ａを介してコモンレール１３が接続されている。高圧ポンプＰ２は、低圧ポンプＰ１から供給される燃料をさらに増圧してコモンレール１３に供給する。高圧ポンプＰ２によって吐出される燃料は、電磁流量制御弁２１において流量制御されることにより、その圧力が制御されることとなる。

コモンレール１３の戻し路側には、高圧配管１３ｄが接続され、この高圧配管１３ｄには、燃料戻し路１６が接続されている。高圧配管１３ｄには、電磁圧力制御弁２３が設けられ、電磁圧力制御弁２３から燃料戻し路１６までは、燃料戻し路１４で接続されている。
この電磁圧力制御弁２３は、機械的に動作する機能と、接続されるＥＣＵ２からの制御によって電気的に動作する機能を有している。機械的な動作では、高圧ポンプＰ２の運転により燃料圧力Ｐｒａｉｌが所定の設定圧Ｐｒａｉｌ＿ｍａｘ（例えば、２００ＭＰａ（メガパスカル））を超えたときに、開弁する。これにより、コモンレール１３内の燃料が燃料タンク１１内に戻され、燃料圧力Ｐｒａｉｌが所定の設定圧Ｐｒａｉｌ＿ｍａｘまで低減される。また、電気的動作では、必要に応じて出力されるＥＣＵ２からの減圧指示にしたがって弁が開放されることにより、コモンレール１３内に蓄圧された燃料を放出し減圧することができる。

また、コモンレール１３は、高圧ポンプＰ２によって加圧され供給される燃料の量と、電磁圧力制御弁２３などで放出され減圧される量とをバランスさせることによって、その内部空間を高圧の状態（例えば、２００ＭＰａ（メガパスカル））で蓄える燃料室となる。
このコモンレール１３には、エンジン１に燃料を噴射する４つの燃料噴射弁６−１〜６−４（以下、まとめて表すときには、「燃料噴射弁６」という。）に燃料を供給する高圧配管１３ｂ−１〜１３ｂ−４が接続されている。
燃料噴射弁６は、ＥＣＵ２からの制御信号などにより開弁してコモンレール１３から供給される燃料をエンジン１の燃焼室内に噴射する。

高圧配管１３ｂ−１〜１３ｂ−４のコモンレール１３への接続点付近には、オリフィス１３ｃ−１〜１３ｃ−４（以下、まとめて表すときには、「オリフィス１３ｃ」という。）がそれぞれ設けられる。このオリフィス１３ｃは、燃料噴射弁６からの燃料噴射によって生じる高圧配管１３ｂ−１〜１３ｂ−４における燃料圧力の圧力変動によって起こる、コモンレール１３の圧力変動の影響を低減させることができる。
また、そのオリフィス１３ｃの下流側には、燃料圧力センサ３７−１〜３７−４（以下、まとめて表すときには、「燃料圧力センサ３７」という。）がそれぞれ取り付けられる。この燃料圧力センサ３７は、オリフィス１３ｃの下流側の燃料圧力を検出する。燃料圧力センサ３７は、検出された圧力を示す検出信号ＳｇＰをＥＣＵ２に出力する。

燃料戻し路１５は、それぞれの燃料噴射弁６からの燃料の戻り路を示し、並列に接続されるチェック弁２４と圧力制御バルブ２５を介して低圧ポンプＰ１とフィルタ１８との間の燃料供給路１２に接続されている。
この燃料戻し路１５の途中に設けられるチェック弁２４と圧力制御バルブ２５は、燃料噴射弁６からの排出油の圧力を一定に調整する。圧力制御バルブ２５は、エンジン１の運転開始時には、燃料供給路１２から燃料噴射弁６に至る燃料戻し路１５を燃料供給路１２に接続される低圧ポンプＰ１によって加圧させる働きも有する。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）およびＩ／Ｏ（Input/Output）インターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成される。

ＥＣＵ２は、燃料噴射制御を行うための主な機能として、燃料噴射タイミング制御部２ａ、燃料噴射量制御部２ｂ、燃料噴射開始時刻判定部２ｃ及び燃料噴射量算出部２ｄの機能を備える。
ＥＣＵ２における燃料噴射タイミング制御部２ａは、エンジン１に設けられたクランク角センサ３３によって検出されるエンジン１のクランク角度情報ＳｇＤｅｇから、燃料噴射弁６での燃料噴射タイミングを制御する。また、燃料噴射量制御部２ｂは、前述した燃料温度センサ３５からの検出信号ＳｇＴｅｍｐ、燃料圧力センサ３７からの検出信号ＳｇＰなどの検出信号に応じてエンジン１の運転状態を判断し、電磁流量制御弁２１、電磁圧力制御弁２３、低圧ポンプＰ１を制御することによりコモンレール１３の圧力を制御するとともに、燃料噴射弁６を開閉動作させることにより燃料噴射量制御を実行する。

ＥＣＵ２では、検出信号ＳｇＰに基づいて、コモンレール１３内の燃料圧力である燃料圧力Ｐｒａｉｌ及び燃料噴射弁６による燃料噴射によって生じる燃料圧力変動を導く。
燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、燃料圧力センサ３７によって検出された燃料圧力をサンプリングし、サンプリングされた燃料圧力情報を記録する。そのサンプリングされた燃料圧力情報に基づいて、予め定められる演算式を用いて燃料噴射開始時刻を検出する。燃料噴射開始時刻は、後述のテーラー展開の式から導かれた中心差分方程式によって算出され、燃料圧力情報によって示される関数を２階微分する演算処理の結果から検出される。
燃料噴射量算出部２ｄは、燃料圧力センサ３７によって検出された燃料圧力の変動値に基づいて燃料噴射量を算出する。

なお、燃料圧力センサ３７は、各高圧配管１３ｂ−１〜１３ｂ−４にそれぞれ独立に設けられる形態を例示し、それぞれの燃料圧力センサ３７が独立に燃料圧力を検出することとしたが、少なくとも高圧配管１３ｂ−１〜１３ｂ−４のうちいずれか１箇所に設けた燃料圧力センサ３７が、コモンレール１３及び各高圧配管１３ｂ−１〜１３ｂ−４の燃料圧力を検出することも可能である。その際、ＥＣＵ２は、１つの燃料圧力センサ３７によって検出された検出信号から、コモンレール１３及び他の高圧配管１３ｂの燃料圧力を導く処理を行う。

以上に示した構成により、この燃料噴射量制御装置１０では、電磁流量制御弁２１により流量制御される高圧ポンプＰ２の運転状態、電磁圧力制御弁２３の開閉状態、および燃料噴射弁６の開閉状態により、コモンレール１３の燃料圧力Ｐｒａｉｌが所定の設定値Ｐｒａｉｌ＿ｍａｘを上限とする範囲内で制御される。
なお、図１で示される実線での接続は、燃料系の配管を示し、一点鎖線での接続は、電気信号による制御線での接続を示すものとする。また、燃料タンク１１内に低圧ポンプＰ１が設けられていることとしたが、低圧ポンプＰ１を燃料タンク１１の外に配置したものでも良い。

続いて、本発明の燃料噴射量制御装置１０における燃料噴射時の燃料圧力変動と燃料噴射量の関係について説明する。
図１に示した燃料圧力センサ３７は、高圧配管１３ｂ−１〜１３ｂ−４内に設けられたオリフィス１３ｃの下流部の圧力を検出する。燃料噴射により噴射される燃料の量は、式（１）に示される関係が成立する。

式（１）において、Ｃが流量係数を示し、Ａが燃料噴射弁６の開口面積を示し、ΔＰが燃料噴射弁６に供給される燃料圧力とエンジン１の燃焼室内の圧力との差を示し、ρが液体の密度を示し、Ｑが燃料噴射弁６から噴射される燃料の噴射量、Ｔｗが燃料噴射弁６に印加される燃料噴射指令の継続時間を示す。
この式によって示される流量Ｑは、燃料噴射指令Ｔｉを継続する時間に比例する。
一方、燃料噴射指令Ｔｉを継続して出力する時間を所定の値に定めた場合、流量Ｑは、圧力差ΔＰの関数となる。また、エンジン１の燃焼室における燃料圧力に変化がないとすれば、圧力差ΔＰは、燃料噴射弁６に供給される燃料圧力の変化に依存する。すなわち、流量Ｑは、燃料噴射弁６に供給される燃料圧力に依存して変化する。

図２は、燃料噴射量制御装置１０における燃料噴射時の燃料圧力の変動を示すタイミングチャートである。
（ａ）は、燃料噴射過程の燃料圧力をモデル化して示した波形である。燃料噴射によって変動する燃料圧力Ｐを燃料圧力センサ３７が検出する。波形ｇＰは、検出された燃料圧力Ｐに基づいて、ＥＣＵ２がサンプリングして取り込んだ燃料圧力情報をモデル化して示している。
（ｂ）は、波形ｇＰによって示される燃料圧力Ｐの値の変化率を示す波形ｇＰ’を示す。波形ｇＰ’は、波形ｇＰによって示された関数を１階微分した結果を示している。
（ｃ）は、波形ｇＰによって示される燃料圧力Ｐに基づいて、燃料圧力Ｐの変化を２階微分した結果を波形ｇＰ”に示す。

このタイミングチャートを時間経過にしたがって、各波形によって示される変化を説明する。
時刻ｔ_０において、断続的に行われる噴射過程において、断続して行われる分割噴射のうち先の燃料噴射（パイロット噴射）が行われた結果、そのパイロット噴射による燃料が消費され、燃料噴射弁６に供給されている燃料圧力Ｐが低下する。その燃料圧力Ｐの低下に伴い、燃料圧力Ｐを示す波形ｇＰが右下がりの傾きを示す（図（ａ）参照）。また、波形ｇＰを１階微分した波形ｇＰ’（図（ｂ）参照）は、負の値を示す。また、波形ｇＰを２階微分した波形ｇＰ”（図（ｃ）参照）は、燃料圧力Ｐの低下率が高まることにより、右下がりの傾きを示す。波形ｇＰ”において、負の値を示す状態は燃料圧力Ｐの低下率が徐々に大きくなる状態を示す。反対に、波形ｇＰ”において、正の値を示す状態は燃料圧力Ｐの上昇率が徐々に大きくなる状態を示す。
その後、燃料圧力Ｐは、徐々に当初の圧力に復帰する傾向を示すようになると、波形ｇＰ’は正の値を示し、波形ｇＰ”は、正の値に転じる。図に示すように、波形ｇＰ’及び波形ｇＰ”は、波形ｇＰの変化に応じて変化する。

時刻ｔ_１において、断続して行われる分割噴射のうち後の燃料噴射（メイン噴射）が始まる。この燃料噴射の開始時刻（時刻ｔ_１）は、燃料噴射弁６の応答性能などにより影響され、ＥＣＵ２が出力した燃料噴射指令Ｔｉからの遅延時間、すなわちむだ時間となって現れる。このむだ時間は、個々の装置の状況による個体差によって、時刻ｔ_１の時刻は変動する。
燃料噴射開始時（時刻ｔ_１）の燃料圧力Ｐの値をＰ_０とする。燃料噴射の開始に伴って、燃料圧力Ｐが低下し、波形ｇＰの傾きが右下がり示す。また、波形ｇＰを１階微分した波形ｇＰ’も、燃料圧力Ｐが低下することから負の値を示す。また、波形ｇＰを２階微分した波形ｇＰ”では、燃料圧力Ｐの低下する変化率が増すことから負の値を示すようになる。

この時刻ｔ_１を過ぎると、燃料噴射の多い燃料噴射（メイン噴射）により燃料圧力Ｐの値は急激に低下する。
また、ＥＣＵ２が燃料噴射指令Ｔｉを停止し、燃料噴射指令Ｔｉの停止からむだ時間の遅れを持って、実際の燃料噴射が停止する（時刻ｔ_２）。燃料噴射弁６からの燃料噴射が停止すると、その後の燃料圧力Ｐは、水撃の原理により上昇に転じる。
時刻ｔ_３において、燃料圧力Ｐは燃料噴射を始める前の圧力を経てさらに上昇する。この燃料圧力Ｐの変動は、周期性を示す減衰振動による変化が継続する。

ここで、時刻ｔ_１周辺の各波形について比較する。
図（ａ）に示した燃料圧力を示す波形ｇＰでは、パイロット噴射に加え燃料噴射弁６の制御によって消費された燃料の影響があり、燃料噴射指令Ｔｉが出力された時点より圧力が低い圧力Ｐ_０に低下している。その低下した圧力Ｐ_０から回復する前にメイン噴射が開始されるため、噴射開始となる圧力を予め設定することが困難である。仮に燃料圧力Ｐを判定する閾値を設定したとしても、燃料圧力Ｐの変動を見込んだ閾値としなければならず、噴射開始時刻の検出が遅れ、時間遅れ方向の誤差が大きく含まれることになる。そのため、燃料圧力の低下を検出する閾値を設定しても、燃料噴射開始時刻を検出することが困難である。

次に、図（ｂ）に示した１階微分を施した波形ｇＰ’では、燃料噴射開始前の燃料圧力の変化が少ないことから、０（零）に近い値を示し遷移する。燃料噴射が始まると燃料圧力Ｐの低下に伴って負の値を示す。この波形に基づいて燃料噴射開始を検出するには、噴射開始直前の値が０（零）に近い値をとることから、噴射開始の閾値に０を設定することができず、０近傍で変化する変動を検出しないだけの余裕を見込んで負の値を設定することになり、噴射開始時刻の検出が遅れ、時間遅れ方向の誤差が大きく含まれることになる。そのため、燃料圧力の変化の値を検出する閾値を設定しても、燃料噴射開始時刻を検出することが困難である。

次に、図（ｃ）に示した２階微分を施した波形ｇＰ”では、メイン噴射開始前に行われたパイロット噴射により、燃料圧力Ｐが一端低下するが、徐々に燃料圧力が回復する変化を示すことから、燃料圧力が回復する期間は正の値を示す。一方、メイン噴射が始まると急激に燃料圧力が低下することから、燃料噴射開始後は負の値を示す。この波形の特徴を利用して、噴射開始を検出する閾値を０に設定することができる。

ここで、２階微分を導く方法について説明する。
与えられた関数の値に基づいて、その関数を近似する方法にテーラー展開がある。テーラー展開の式は、式（２）に示されるように、任意の変数における関数ｆ（ｘ）の値と、その関数のｎ次微分ｆ^（ｎ）（ｘ）の値に基づいて定義される。

式（２）において、ｈは、微小な値の定数であって、変数ｘと、変数ｘ近傍の値との差を示す。
また、任意の変数におけるｎ階微分の近似値を導くのに、離散化されたデータ列の値を用いて導かれる差分方程式がある。この差分方程式では、任意の変数を基準にして変数の片側に位置するデータの値を用いる場合と、その変数を基準にして変数を挟んで両側のデータの値を用いる場合とがある。前者を中間差分方程式といい、後者を、変数の増加方向の近傍の値を用いる場合には、前進差分方程式という。

図３を参照し、差分方程式におけるデータの扱い方について示す。
（ａ）は、中心差分による演算処理を任意の変数ｔ１の前後１点ずつを選択して示したものである。
図に示される変数ｔ１における関数の傾きが示されている。変数ｔ１からｄｔだけ隔てた前後の変数（ｔ１−ｄｔ）と（ｔ１＋ｄｔ）における関数の値を結んだ線分の傾きを、先の変数ｔ１における関数の傾きと比較すると、傾きが近い値になっていることが明らかである。
一方、（ｂ）は、前進差分による演算処理を任意の変数ｔ１に隣接する１点を選択して示したものである。
変数ｔ１と変数（ｔ１＋ｄｔ）の値を結んだ線の傾きと、変数ｔ１における関数の接線の傾きとを比較してみると、上記の中心差分による方法に対して誤差が大きくなることが示されている。データにノイズが含まれ変動するような場合の処理には、中心差分の方が微分値との乖離が少ない。以下の説明では、差分方程式には、微分値との乖離が少ない中心差分方程式を用いることとする。

そこで、式（２）に示したテーラー展開の式を、変数（ｔ_ｋ）から、それぞれｈと２ｈ離れた周辺の前後２点について導き、変数（ｔ_ｋ−２ｈ）、（ｔ_ｋ−ｈ）、（ｔ_ｋ）、（ｔ_ｋ＋ｈ）及び（ｔ_ｋ＋２ｈ）における展開式をそれぞれ式（３）に示す。

式（３）において、ｆ_ｋ-２、ｆ_ｋ-１、ｆ_ｋ、ｆ_ｋ＋１及びｆ_ｋ＋２は、変数（ｔ_ｋ−２ｈ）、（ｔ_ｋ−ｈ）、（ｔ_ｋ）、（ｔ_ｋ＋ｈ）及び（ｔ_ｋ＋２ｈ）における関数の値を示し、また、ｈは、隣接する変数が等間隔であるとしたときのその間隔を示す値としたときの関係を、それぞれを式（４）に示す。

ここで、式（３）の右辺第２項に示される１階微分ｆ’（・）の項が残るように、係数を選択し、式（３）に示されるそれぞれの式にその係数を乗じて、加算する。選択された係数によって導かれる関係式を式（５）に示す。

式（５）は、次のことを示している。

（１）変数（ｔ_ｋ）を中心とした、変数（ｔ_ｋ）を含めて計５点の範囲の情報を用いた演算から、その変化を示す関数の１階微分の値を近似演算する。
（２）変数（ｔ_ｋ）を中心に、近傍の２点の値を示す式に乗じた係数が、残りの２点より重み付けが高く設定される。
（３）式に乗じた係数は、変数（ｔ_ｋ）に対してそれぞれの絶対値が対象であり、符号が反転している。

上記の係数により、右辺第３項、第５項は、相殺され「０（零）」となる。右辺第１項、第４項も、乗じた係数の設定により「０（零）」になる。したがって、右辺は、第２項と、第６項（５階微分以上の項）とが残る。第６項は、５階微分以上の項にまとめて示される高次の項であり、小さな値となることから、「０（零）」とみなすことができる。そのように近似することにより、演算を簡素化できる。
検出された燃料圧力をＰ_ｋで示し、高次の項を「０（零）」とみなした近似式を式（６）に示す。

式（６）では、時刻ｔ_ｋ周辺における燃料圧力Ｐ_ｋ−２、Ｐ_ｋ−１、Ｐ_ｋ＋１、Ｐ_ｋ＋２から、時刻ｔ_ｋにおける燃料圧力の変化率、すなわち微分係数を近似式によって導けることが示される。

したがって、テイラー展開の式に基づいて導かれた式（５）に示した中間差分方程式を用いることで、任意の変数（ｔ_ｋ）における１階差分演算を行えることが示された。ここで導かれた１階差分演算の値を、変数（ｔ_ｋ）における１階微分係数の近似値として扱う。

また、燃料圧力Ｐの２階微分を導出するのに、式（５）に示した１階差分演算を２回繰り返して行うことにより、式（６）で導かれた近似値に基づいて、式（７）に示すように２階微分演算を近似することとする。

式（７）では、時刻ｔ_ｋ周辺の燃料圧力の変化率Ｐ’_ｋ−２、Ｐ’_ｋ−１、Ｐ’_ｋ＋１、Ｐ’_ｋ＋２から、時刻ｔ_ｋにおける燃料圧力の２階微分係数を近似式によって導けることが示される。

図を参照し、上記に示した演算方法から導かれた結果を具体的に示す。
図４は、第１実施形態における燃料噴射時の燃料圧力波形を示す図である。
この図に示される横軸は、時間の経過を示し、中心差分演算の変数を示す。縦軸は、燃料圧力Ｐと、１階微分係数と２階微分係数の値を示す。図に示す時刻ｔ_０〜ｔ_３は、図２に示した時刻と同じタイミングを示す。
波形ｇＰ１が、燃料圧力Ｐの値を示し、波形ｇＰ１’が、燃料圧力Ｐの変化率（１階微分の結果）を示し、波形ｇＰ１”が、燃料圧力Ｐの２階微分の結果を示す。
波形ｇＰ１”について時刻ｔ_１近傍について整理すると、時刻ｔ_１までは正の値をとり、時刻ｔ_１において横軸と交差して負の値をとることが示される。燃料噴射弁６から燃料噴射が開始された時刻をその時刻ｔ_１から検出することができる。

図を参照し、燃料噴射開始時刻の検出手順を説明する。
図５は、第１実施形態における燃料噴射開始時刻検出処理を示すフローチャートである。
燃料圧力センサ３７が検出した燃料圧力ＰをＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃが取り込んで、予め定められたサンプリング周期にしたがってサンプリングする。サンプリングされたデータ（燃料圧力情報）は、ＥＣＵ２内部の記憶部に割り当てられた記憶領域に、時系列データとして記録される（ステップＳａ１０）。
次に、ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、記憶されている燃料圧力情報を参照し、直近にサンプリングされた数個の燃料圧力情報に基づいて、高域周波数成分を除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理を行い、処理結果を改めて記憶領域に記録する。このローパスフィルタ処理は、カットオフ周波数に、例えば１０ｋＨｚ（キロヘルツ）を設定したデジタルフィルタ処理により実施される（ステップＳａ１２）。

次に、ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、式（６）に示した１階差分演算式により、燃料圧力Ｐに基づいた１階変化率演算を行う。ＥＣＵ２は、ローパスフィルタ処理された情報を参照して、１階変化率演算を行い、演算結果を記憶領域に記録する（ステップＳａ１４）。
次に、ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、式（７）に示した１階差分演算式により、燃料圧力Ｐに基づいた２階変化率演算を行う。ＥＣＵ２は、ローパスフィルタ処理された情報を参照して、２階変化率演算を行い、演算結果を記憶領域に記録する（ステップＳａ１６）。
次に、ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、ステップＳａ１６によって導かれた２階変化率演算の結果（２階微分値）に基づいて燃料噴射開始時刻を判定する。燃料噴射時刻は、メイン噴射による燃料噴射が始まると推定される期間において、２階変化率演算の結果が正の値から負の値に変化する時刻を検出することにより判定を行う（ステップＳａ１８）。
この燃料噴射開始時刻判定部２ｃによるの燃料噴射開始時刻の判定結果に基づいて、ＥＣＵ２の燃料噴射量算出部２ｄは、その時刻の燃料圧力Ｐ０を基準にした燃料圧力変動量を検出して噴射量Ｑを算出する。

（第２実施形態）
第２実施形態では、２階微分係数の導出を、中心差分方程式を用いた１回の演算によって導く形態を示す。第１実施形態に示した形態において、燃料噴射開始時刻検出処理の処理方法が異なり、その相違点を中心に説明する。
第１実施形態における式（５）に代え、別の中心差分方程式を定義する。
ここで、式（３）の右辺第２項に示される２階微分ｆ”（・）の項が残るように、係数を選択し、式（３）に示されるそれぞれの式にその係数を乗じて、加算する。選択された係数によって導かれる関係式を式（８）に示す。

式（８）は、次のことを示している。

（１）変数（ｔ_ｋ）を中心とした、変数（ｔ_ｋ）を含めて計５点の範囲の情報を用いた演算から、その変化を示す関数の１階微分の値を近似演算する。
（２）変数（ｔ_ｋ）を中心に、近傍の２点の値を示す式に乗じた係数は、残りの２点より重み付けが高く設定される。
（３）式に乗じた係数は、変数（ｔ_ｋ）に対してそれぞれの対象である。

上記の係数により、右辺第２項、第４項は、相殺され「０（零）」となる。右辺第１項、第５項も、乗じた係数の設定により「０（零）」になる。したがって、右辺は、第３項と、第６項（５階微分以上の項）とが残る。第６項として、５階微分以上の項にまとめて示される高次の項の値は、小さな値となることから、「０（零）」とみなスことができる。そのように近似することにより、演算を簡素化できる。

検出された燃料圧力をＰ_ｋで示し、高次の項を「０（零）」とみなした近似式を式（９）に示す。

式（９）では、時刻ｔ_ｋ周辺における燃料圧力Ｐ_ｋ−２、Ｐ_ｋ−１、Ｐ_ｋ、Ｐ_ｋ＋１、Ｐ_ｋ＋２から、時刻ｔ_ｋにおける燃料圧力の変化率、すなわち２階微分係数を近似式によって導けることが示される。

したがって、テイラー展開の式に基づいて導かれた式（８）に示した中間差分方程式を用いることで、任意の変数（ｔ_ｋ）における２階差分演算を行えることが示された。２階差分演算の値を、変数（ｔ_ｋ）における２階微分係数の近似値として扱う。
燃料圧力Ｐの２階微分を導出は、式（９）に示した２階差分演算を１回行うことにより、２階微分演算を近似することとする。

図を参照し、上記に示した演算方法から導かれた結果を具体的に示す。
図６は、第２実施形態における燃料噴射時の燃料圧力波形を示す図である。
この図に示される横軸は、時間の経過を示し、中心差分演算の変数を示す。縦軸は、燃料圧力Ｐと、２階微分係数の値を示す。図に示す時刻ｔ_０〜ｔ_３は、図２に示した時刻と同じタイミングを示す。
波形ｇＰ２が、燃料圧力Ｐの値を示し、波形ｇＰ２”が、燃料圧力Ｐの２階微分の結果を示す。
波形ｇＰ２”について時刻ｔ_１近傍について整理すると、時刻ｔ_１までは正の値をとり、時刻ｔ_１において横軸と交差して負の値をとることが示される。燃料噴射弁６から燃料噴射が開始された時刻をその時刻ｔ_１から検出することができる。

図を参照し、燃料噴射開始時刻の検出手順を説明する。
図７は、第２実施形態における燃料噴射開始時刻検出処理を示すフローチャートである。
燃料圧力センサ３７が検出した燃料圧力ＰをＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃが取り込んで、予め定められたサンプリング周期にしたがってサンプリングする。サンプリングされたデータ（燃料圧力情報）は、ＥＣＵ２内部の記憶部に割り当てられた記憶領域に、時系列データとして記録される（ステップＳｂ２０）。
次に、ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、記憶されている燃料圧力情報を参照し、直近にサンプリングされた数個の燃料圧力情報に基づいて、高域周波数成分を除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）処理を行い、処理結果を改めて記憶領域に記録する。このローパスフィルタ処理は、カットオフ周波数に、例えば１０ｋＨｚ（キロヘルツ）を設定したデジタルフィルタ処理により実施される（ステップＳｂ２２）。

次に、ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、式（９）に示した２階差分演算式により、燃料圧力Ｐに基づいた２階変化率演算を行う。ＥＣＵ２は、ローパスフィルタ処理された情報を参照して、２階変化率演算を行い、演算結果を記憶領域に記録する（ステップＳｂ２４）。
次に、ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、ステップＳｂ２４によって導かれた２階変化率演算の結果に基づいて燃料噴射開始時刻を判定する。燃料噴射時刻は、メイン噴射による燃料噴射が始まると推定される期間において、２階変化率演算の結果が正の値から負の値に変化する時刻を検出することにより判定を行う（ステップＳｂ２６）。

この燃料噴射開始時刻判定部２ｃによるの燃料噴射開始時刻の判定結果に基づいて、ＥＣＵ２の燃料噴射量算出部２ｄは、その時刻の燃料圧力Ｐ_０を基準にした燃料圧力変動量を検出して噴射量Ｑを算出する。

以上に示された本発明の実施形態によれば、コモンレール１３と燃料噴射弁６との間の燃料圧力を検出する燃料圧力センサ３７が検出した燃料圧力の変動値に基づいて燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御装置１０である。ＥＣＵ２の燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、検出された燃料圧力の値によって示される関数に基づいて２階微分値を算出し、その２階微分値に基づいて燃料噴射が行われた燃料噴射開始時刻を判定する。そして、燃料噴射量算出部２ｄは、該燃料噴射開始時刻に基づいて燃料噴射量を算出する。

本発明の実施形態によれば、燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、燃料圧力検出手段が検出した燃料圧力の値によって示される燃料圧力の変化を示す関数を定義する。燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、その関数に基づいて２階微分値を算出し、その２階微分値の値から燃料噴射が行われた燃料噴射開始時刻を判定する。燃料噴射量算出手段は、燃料噴射開始時刻に基づいて燃料噴射量を算出する。そして、検出された燃料圧力変化の変化率（２階微分値）から、燃料噴射にともなって変量圧力が減少を開始する変化点を検出することができる。また、燃料噴射開始時刻を正確に判定できることから、燃料噴射開始時の燃料圧力も正確に検出することができる。

本発明の実施形態によれば、燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる差分方程式を用いて算出する。

本発明の実施形態によれば、前記燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、差分方程式に中心差分方程式を用いて算出する。そして、燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、検出された燃料圧力に含まれる変化に影響されることなく、その時点の微分演算を安定に行うことができる。

本発明の実施形態によれば、燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる１階差分方程式を用いた演算を２度繰り返して行う。そして、燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、高次の成分を誤差として扱うことができ、検出精度が高い１階差分方程式による演算によって燃料噴射の開始時刻を検出することができる。

本発明の実施形態によれば、燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる２階差分方程式を用いて算出する。そして、燃料噴射開始時刻判定部２ｃは、高次の成分を誤差として扱うことができ、直接２階差分方程式にによる演算よって燃料噴射の開始時刻を検出することができる。

なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本発明の燃料噴射量制御装置１０における、燃料圧力センサ３７は、燃料噴射弁６に対応して設けられるものとして説明したが、少なくとも１つの燃料圧力センサ３７によって、複数の燃料噴射弁６の噴射によって変動する燃料圧力変動を検出することとしても良い。その燃料圧力センサ３７の設置箇所は、オリフィス１３ｃの下流に配置することが好適であるが、目的の変動量を検出することができる場所に設けることとしても良い。

また、オリフィス１３ｃを例に示し、コモンレール１３と高圧配管１３ｂの間に流量を制限する抵抗成分を設けた。この抵抗成分には、オリフィス１３ｃ以外にも目的の流量制御を行える構造のものであれば選択可能である。

また、高圧配管１３ｂ内に設けられるオリフィス１３ｃの配置は、コモンレール１３側に近い位置とすることが好適である。
また、燃料圧力センサ３７の配置は、オリフィス１３ｃに近い下流部側とすることが好適である。
また、メイン噴射に先立って行われるパイロット噴射の回数は、１回に限定されることなく、複数回に分割することは可能である。

また、本実施形態では、燃料噴射弁６の数を４個、コモンレール１３の数を１個として説明しているが、それぞれ４個と１個に制限されるものではなく、エンジン１の構成によってその数量は任意に設定することができる。
また、エンジン１はディーゼルエンジンであることとして説明したが、この燃料噴射量制御装置１０はガソリンエンジンに対する適応も可能である。
また、本発明は、船外機のような船舶推進機用の内燃機関を含む、様々な産業用の内燃機関に適用することが可能である。

１ エンジン（内燃機関）
２ ＥＣＵ（噴射量算出手段）
２ｃ 燃料噴射開始時刻判定部（燃料噴射開始時刻判定手段）
２ｄ 燃料噴射量算出部（燃料噴射量算出手段）
６ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
１０ 燃料噴射量制御装置（燃料噴射量制御装置）
１３ コモンレール（燃料蓄圧手段）
３７、３７−１〜３７−４ 燃料圧力センサ（燃料圧力検出手段）
Ｐ２ 高圧ポンプ（燃料供給手段）

Claims (5)

1. 供給された燃料を蓄圧する燃料蓄圧手段と、
   前記燃料蓄圧手段から供給される燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   前記蓄圧手段と前記燃料噴射手段との間の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
   前記燃料圧力の変動値に基づいて燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御装置において、
   前記検出された燃料圧力の値によって示される関数に基づいて２階微分値を算出し、該２階微分値に基づいて燃料噴射が行われた燃料噴射開始時刻を判定する燃料噴射開始時刻判定手段と、
   該燃料噴射開始時刻に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射量制御装置。
2. 前記燃料噴射開始時刻判定手段は、
   前記２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる差分方程式を用いて算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射量制御装置。
3. 前記燃料噴射開始時刻判定手段は、
   前記差分方程式に中心差分方程式を用いて算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射量制御装置。
4. 前記燃料噴射開始時刻判定手段は、
   前記２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる１階差分方程式を用いた演算を２度繰り返して行う
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射量制御装置。
5. 前記燃料噴射開始時刻判定手段は、
   前記２階微分値の算出に、テーラー展開の式に基づいて導かれる２階差分方程式を用いて算出する
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射量制御装置。

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